Han sluttet seg i 1878 som geolog til en ekspedisjon til østre Afrika under ledelse av Alexander Keith Johnston d.y. Den 28. juni 1879 døde Johnston i feber og da ble Thomson ekspedisjonens leder. Ekspedisjonen utforsket regionen omkring Malawisjøen og Tanganyikasjøen og fulgte dessuten den 350 km lange floden Lukuga. De vendte hjem med mange nyoppdagede dyre- og plantearter.